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使用云进行数据记录和远程访问——实施工业物联网(IIoT)的第一步

来源:控制工程网2019.11.21阅读 1162

  实施基于云的远程访问,通常是实施工业物联网(IIoT)和工业4.0应用以改进数据可视化的第一步。本文将讨论如何使用合适的协议将数据记录到云,并涵盖诸如数据操作和通知之类的功能。并将讨论一个特定的应用案例,以展示如何开始使用基于云的远程访问。
  基于云的数据存储
  与内部部署系统相比,基于云的数据存储和访问系统有很多优点。全球云连接仅需要通过有线、Wi-Fi或蜂窝链接访问互联网。本地连接要复杂得多,特别是位于异地的用户。
  基于云的数据系统可以在几小时内建立,只有很少或没有前期资本支出,并且可以通过与云服务提供商相对简单的交互,在几分钟内扩展数据系统。相比之下控制工程网版权所有,设置本地数据系统总是需要大量的前期资本支出和信息技术(IT)专业知识,并且扩展可能非常困难、昂贵且耗时。
  鉴于上述以及其它优势,基于云的数据系统和其它服务,正在各种商业和工业应用中快速增长。随着应用规模的快速增长,导致价格下降,从而更具经济性。简而言之,云服务公司为成千上万的用户提供IT基础设施,比每个用户设计、安装和维护自己的基础设施要便宜得多。
  在云中存储数据以及对云的访问,允许用户通过数据可视化获得洞察力。可配置的仪表板,使用小工具用于远程查看,允许从连接到互联网的任何设备(如笔记本电脑、PC、智能手机或平板电脑)中可视化基于云的数据(参见图1)。这些数据可以轻松地与其它用户共享,可以根据需要下载以进行分析。

图1:基于云的应用,允许用户从任何地方访问和可视化数据,以获得对机器或流程的洞察力。本文图片来源:Automation Direct

  数据记录
  数据记录可以是本地的、基于云的,也可以是两者的组合。许多可编程逻辑控制器(PLC)和人机界面(HMI)包括板载内存,用于存储SD卡或USB驱动器上的本地数据(参见图2)。工业工厂或设施也可以配置由IT部门维护的基于网络的数据库服务器。

图2: HMI触摸面板可为SD卡或USB驱动器提供本地数据记录。

  由于数据记录到云上的可能性增加,可以创建和维护基于云的数据系统,或使用服务提供商提供的端到端解决方案。创建基于云的数据系统需要一定程度的IT专业知识。例如,亚马逊网络服务(AWS)作为一家主要的云服务提供商之一,为那些希望托管自己基于云的数据系统的组织提供所需的诸多功能。
  另一种方法是订阅端到端服务,提供托管虚拟专用网络(VPN)的数据记录(参见图3)。这些类型的服务通常以每月订阅的形式提供,其成本基于记录的数据点的数量。这种类型的解决方案为将数据记录到云并在全球范围内访问以实现可视化和其它目的提供了一条快速的道路。虽然每个数据记录解决方案都没有VPN路由器,但使用一个VPN路由器可提供所需的安全性以及远程访问和编程功能。

图3:安全VPN路由器是端到端远程访问和数据记录解决方案的关键组件。

  协议和路由器配置
  借助IIoT的实施,可用数据量大幅增加,但为了满足可靠性和安全性的相应需求,可能会降低数据传输速率并出现其它问题。
  随着工业以太网协议的不断发展,一些较新的协议,如消息队列遥测传输(MQTT)等,给工业用户带来了更好的解决方案。许多VPN路由器使用较新的协议以及工厂常用的多种通用工业以太网协议,同时提供所需的安全性。
  由于资源要求低、可靠性高,即使在低带宽网络上也是如此, MQTT已经成为数据记录到云最常见的协议之一。MQTT使用发布-订阅方法,而不是使用客户端不断从服务器轮询新数据的请求-响应系统。使用发布-订阅模式,远程系统可以将数据发布到代理,远程客户端可以订阅此数据。
  MQTT使用单个代理,通过该代理发布和订阅所有数据流。多个服务器不需要响应多个设备,从而减少了网络流量。MQTT提供卓越的安全性CONTROL ENGINEERING China版权所有,仅在请求时使用出站通信。对于运行自己的服务器或可视化平台的用户,需要支持MQTT的PLC或HMI才能将数据发布到代理,而端到端解决方案具有此类功能,通常内置于数据记录器或VPN路由器。
  一种流行的端到端解决方案使用的VPN路由器可支持多种工业协议,包括ModbusTCP、EtherNet/IP、西门子S7、OPC-UA和BACnet等,允许从支持这些协议的任何组件(如PLC和HMI)收集数据。相对较少的工业PLC和HMI组件支持MQTT,但大多数都支持这些协议中的一个或多个。
  具有数据记录功能的VPN路由器通常在幕后使用MQTT技术控制工程网版权所有,因此用户可以使用最常见的工业协议,而不是首先将它们转换为MQTT。通过识别每个组件要监控的标签,在路由器中配置数据记录,然后路由器将数据记录到云中,无需PLC或HMI编程。
  数据操作和通知
  在进行可视化或通知之前,通常需要清理和操作数据。在源头,数据通常被清除以消除噪点,然后仅在异常——也就是它发生变化时,发送到云,从而可以大大减少从站点到云的数据流量。如果发生报警或事件,则可以在确定的时间段,将传输模式切换到发送每个读数到云,以帮助分析。根据应用的不同,通常采用其它方法在源头对数据进行清理和操作。
  将数据记录到云后,用户需要一种方法将其可视化。许多端到端解决方案,允许实时监控和创建用于数据可视化的小工具。仪表板通常用于在预先配置的时间段内添加、删除、编辑和查看实时和历史数据报告。实时监控功能使在云中显示实时数据成为可能,从而可以近乎实时地了解机器或流程的运行情况。
  窗口小工具可用于将实时和历史数据显示为数字值,或显示为布尔状态(如真或假)。可用于帮助可视化数据的典型图形,包括用于在可配置范围内显示数值的仪表和用于绘制数据随时间变化的图表。还有模板用于帮助快速显示云数据。
  具有数据标签和记录值的表以及固定间隔的条形图,是用于显示数据的其它常用工具。可以通过使用公式来制定数据报告,以在选定的时间段内自定义数据视图。典型的公式包括平均值、最小值、最大值、中值、模式、范围、总和、第一个和最后一个值。可以配置报警和通知,以在参数超出预定义范围时通知用户。例如,可以将报警配置为在机器发生故障、需要维护或温度过高时通知特定人员。
  通过简单的配置,用户就可以启用云通知功能,以根据预定义的机器或过程条件向工作人员发出报警。这些通知可以分为低、中或高优先级,允许用户选择它们想要接收的通知。
  适合的云解决方案
  云适用于小型、中型和大型公司记录、访问和可视化数据。入门成本是非常实惠的硬件和数据订阅(免费或基于所提供的数据和服务按月付费),配置也很快。
  下面让我们看看系统集成商Woodwest控制公司的案例。在创始人Chris Kregoski的带领下,该公司致力于酿造、废水和其它项目。Kregoski于2014年在其地下室开设了该公司,并迅速扩大了业务范围,为财富1000强公司提供服务,同时保持对卓越服务和客户满意度的承诺。Kregoski还拥有一家酿酒厂,并为自己和客户的酿酒厂,从头到尾设计控制系统。此外,它的公司还支持麦芽制作公司,在进入啤酒厂之前对谷物进行处理。
  微酿造是一种半自动化的过程,酿造者整天都在不断地检查罐和容器的温度。监控实时数据,接收每批流程完成的报警以及创建历史数据记录,从而提高生产率和产量、改善质量控制。
  Woodwest控制公司使用Automation Direct公司的StrideLinx解决方案来监控客户现场安装的自动化系统。这些系统的主要组件通常是HMI和PLC。PLC控制发酵罐中、澄清啤酒时brite罐的温度。这些储罐需要保持在特定的温度下,必须由酿造者密切监控(见图4)。

图4:使用托管VPN解决方案,将记录到云中的发酵容器温度数据显示为实时图形数据。

  StrideLinx配置为记录储罐和支撑系统的温度,例如乙二醇储存。第2天酿造的储罐温度使用StrideLinx平台上的实时监控功能CONTROL ENGINEERING China版权所有,提供近乎实时的温度显示。使用带2个面板的仪表板监测14个发酵容器和6个brite罐的温度,1个用于发酵罐,1个用于brite罐。
  通过简单的配置,添加报警以通知员工某个步骤即将完成。一旦这些半自动化过程配置了过程完成报警CONTROL ENGINEERING China版权所有,就可以提高生产率和产量。乙二醇还配置了高温或低压报警,以确保罐的适当冷却并提高质量。
  当涉及到云时,先想一想通过将数据记录到云并从中访问可以为企业带来哪些价值。通过云获得的数据和分析可用于提高机器和过程效率。用户可以通过这些连接随时了解生产量、过程状态、系统报警、原材料使用、能耗和维护需求等。
  使用合适的云解决方案,可以轻松地从一个站点开始小规模并尝试远程访问和数据记录,然后扩展并部署到其它生产线和站点。 (作者:Jonathan Griffith)


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